Modélisation des échelles microclimatiques : des quartiers aux blocs urbains 35

aux blocs urbains

L’étude de l’effet d’îlot de chaleur sur les consommations d’énergie dans le bâtiment néces-site une description plus fine des locaux et des échanges avec l’intérieur des bâtiments. Pour cela, des liens sont développés entre les échelles spatiales méso, les modèles de canopée et l’échelle microclimatique par l’ajout d’un logiciel de simulation thermique du bâtiment en bout de chaine (Kikegawa et al. 2003).

La description architecturale et le maillage des surfaces de la scène urbaine permettent un cal-cul plus raffiné, comme Bouyer (2009) qui a réalisé un couplage dynamique complet entre un logiciel de calcul du rayonnement sur une scène urbaine (SOLENE), qui utilise la méthode des radiosités pour résoudre les échanges radiatifs solaire et GLO, un logiciel de CFD (Fluent), pour la résolution des équations de bilan de masse (air, humidité), de mouvement et d’énergie sur des volumes élémentaires de contrôle, et d’un modèle de bâtiment multizones. Une distribution plus réaliste de la stratification des températures de surfaces permet d’affiner le transfert de chaleur par flux conductif dans les bâtiments. La description des conditions thermoaérauliques aux abords de l’enveloppe peut être modélisée de façon très primitive en imposant des profils de vitesse et des coefficients de convection surfacique constants (Krayenhoff et al. 2007) ou par l’utilisation de modèles microclimatiques plus fins comme les codes de dynamique des fluides (CFD). Souvent, un modèle atmosphérique 1D détermine les conditions aux limites soit un profil de vitesse pour les parois verticales du volume considéré

Le couplage de ces modèles, comme celui illustré dans la figure 7 permet d’affiner l’estimation des charges liées au fonctionnement des bâtiments, l’effet de l’ICU sur les per-formances des systèmes de rafraîchissement ou de se focaliser sur l’effet des charges latentes et sensibles amenées par l’aménagement de jardins (Bouyer 2009)…

Figure 7 : Algorithme de fonctionnement du couplage entre un modèle méso-échelle (ME), un modèle de canopée urbaine 1-D (CU) et un modèle simplifié de simulation énergétique du bâ-timent (MSEB) (après Kikegawa et al. 2003 )

Ce genre de modèle est privilégié pour quantifier l’impact des différentes stratégies d’atténuation de l’ICU à l’échelle d’un bloc urbain sur la température de l’air ainsi que les émissions de CO₂ (Kikegawa et al. 2006 ;Akbari 2005 ;Sailor et al. 2007).

L’approche par CFD a été initiée pour l’étude des problèmes complexes de dispersion des polluants qui demandent la simulation des effets de forme des espaces urbains sur l’écoulement des vents locaux horizontaux et verticaux dans la canopée. Des progrès continus

Conditions météorologiques échelles synoptique & méso

• Conditions initiales et CL pour l’interface supérieure du modèle CU • Flux de rafraîchissement et de chauffage par advection pour le modèle CU

Hauteur de la CL supérieur : ² 2 6 N L K K H M H t _≈ ⋅ ⋅

(KM & KH, diffusivités turbulentes, N : Fréquence de Brunt-Vaïsala, L : dimension horizontale représentative des blocs urbains)

ME

Conditions météorologiques autour des bâtiments CU MSEB Rejet de chaleur anthropique du bâtiment : Q_A=Q_C+E_C Efficacité du système de climatisation :

COP Demande énergétique

de climatisation : QC

Consommation énergétique en rafraîchissement :

ont été réalisés dans la sophistication des méthodes numériques, le raffinement de la géomé-trie des maillages, les différentes approches utilisées pour modéliser les phénomènes de turbu-lences tels que la DNS (Direct numerical Simulation), la LES (Large Eddy Simulation), la méthode RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes), la DES (detached-eddy simulation) et la puissance des solveurs. Même si les modèles CFD sont sensés être représentatifs des écoule-ments détaillés, on remarque encore une mauvaise concordance des résultats avec les observa-tions in-situ, particulièrement pour les faibles vitesses de vents et une incapacité à gérer le ca-ractère fluctuant de la direction du vent aux limites du problème pour n’importe quelle pé-riode de temps simulée (Assimakopoulos et al. 2006).

La description des bâtiments et de leurs systèmes énergétiques peut être plus ou moins pous-sée, elle peut se limiter à des modèles nodaux comme dans le code de simulation de l’environnement urbain ENVI-MET (Bruse et al. 1998) ou être couplé de manière synchrone (méthode dite du « ping-pong »), chaque modèle est résolu une fois à chaque pas de temps. En couplant Windperfect (logiciel de CFD) et EnergyPlus (logiciel de simulation énergétique du bâtiment), Hsieh et al. 2007 a évalué la répercussion de la chaleur rejetée par les condenseurs des systèmes d’air conditionné sur leur consommations énergétiques et leur coefficients de performance dans un quartier densément peuplés.

L’ensemble des modèles présentés ci-dessus présentent un handicap en termes de temps de calcul pour les applications liées aux consommations énergétiques des bâtiments sur des cy-cles saisonniers. Pour satisfaire à des temps de calcul raisonnables, la tendance a souvent été à la simplification des interactions urbaines à l’échelle de formes spécifiques bien connues où l’on peut employer des équations empiriques pour décrire les mouvements d’air.

1.2.3. Applications aux formes urbaines spécifiques

Le tissu urbain est complexe et propose de nombreuses morphologies individuelles telles que les pavillons, les esplanades, les cours fermées, les cours ouvertes… chaque forme a sa fonc-tion. Les formes urbaines spécifiques ont été étudiées en particulier au regard des apports so-laires directs. Dans les milieux urbains denses on rencontre des patios et des cours entourées de 4 bâtiments, ce sont des structures utilisées dans les médinas pour conserver un endroit au frais pendant l’été, mais l’effet d’ombre portée caractéristique qui peut s’avérée utile en été, minimise les apports solaires en hiver (Yezioro et al. 2006). Les parcs urbains peuvent être considérés comme des formes spécifiques à part dans la définition du tissu urbain. La

contri-bution relative des différents flux de chaleur dans le bilan énergétique nocturne des parcs ur-bains a été exploitée par la construction de modèles physiques à échelle réduite (Spronken-Smith et al. 1999). Cette approche a l’avantage de permettre l’examen des processus opérant à plus petite échelle à l’intérieur d’un complexe urbain établi, ils ont pu observer un effet de micro-advection dû à des échanges turbulents complexes de chaleur latente et sensible entre surfaces sèches et imperméables. Spronken-Smith et al. (2000) ont enquêté sur l’importance des termes d’advection à la surface d’un parc urbain irrigué à échelle réelle dans un climat chaud. A l’analyse des composants énergétiques déjà vus dans le modèle physique réduit, vient s’ajouter les effets advectifs à l’échelle méso. En effet, l’air plus chaud provenant de l’environnement urbain se refroidit et descend sur le parc à cause de la différence massique et s’associe à l’énergie radiative pour améliorer le processus d’évaporation à la surface du parc (Figure 8)

Figure 8: Variation hypothétique du flux latent avec la distance à la limite de la surface im-perméable urbaine et du parc irrigué (d'après Spronken-Smith et al. 2000 )

L’effet d’oasis est remarquable pour tous les parcs dans une agglomération urbaine et plus ou moins marqué selon la disponibilité en eau, en revanche l’effet dû à la micro-advection aurait le mérite d’être pris en compte dans les modèles méso-échelles car le flux de chaleur latente de vaporisation QE’ provient des surfaces urbaines et donc les environs urbains proches du parc sont rafraîchis par ce phénomène.

La compréhension des processus d’échanges thermiques et massiques et de leurs interactions passe par la décomposition de la forme urbaine complexe en composants basiques, le plus

Distance ^{Parc irrigué} Quartier Résidentiel F lu x d e ch al eu r la te n t d e v ap o ri sa ti o n ( Q^E

’) ^{Effet d’advection à micro échelle}

Effet d’oasis à méso échelle

connu d’entre eux, parce qu’identifié comme particulièrement responsable du piégeage radia-tif en milieu urbain, est la rue canyon. Elle est devenue la géométrie typique des études relati-ves à l’îlot de chaleur urbain. La rue canyon est décrite par son ratio géométrique entre sa hauteur H et sa largeur W et sa longueur est considérée comme infinie. Cette décomposition rend possible l’isolation de l’influence des facteurs individuels sur l’atténuation de l’ICU. Oke (1988) dans ces travaux sur la climatologie urbaine a conceptualisé ce ratio géométrique H / W pour décrire la forme des écoulements dans la rue flanquée de bâtiments de même hauteur pour un vent dominant perpendiculaire à son axe. Il distingue trois régimes basiques d’écoulement pour:

• un H/W faible, on peut considérer que le vent agit comme sur des rugosités isolées, • un H/W inférieur à 0,54, on constate des interférences de sillage

• un H/W supérieur à 0,54, l’écoulement est rasant et un vortex, parfois deux à rotation inversée se forment dans la rue.

L’écoulement parallèle à la rue a été dans un premier temps observé et mis en équation par Nicholson (1975)et le croisement de celui-ci avec les écoulements rasants a été décrit par des équations semi-empiriques (Hotchkiss et al. 1973; Yamartino et al. 1986) et confirmé par des études de champs (Nakamura et al. 1988) et assemblés sous forme d’algorithme pour une pré-vision périodique (Georgakis et al. 2008). Ces connaissances ont été utilisées pour modéliser les écoulements de manière simplifiée dans les modèles de bilan énergétique de rue canyon (Mills 1993). Bozonnet (2005) s’est servi de ces relations pour la définition des conditions aux limites d’une méthode zonale à l’intérieur de la rue canyon, où le mouvement d’air est pi-loté par l’interaction entre la poussée thermique due aux différences de températures entre les surfaces de la rue et la quantité de mouvement provoquée par les vents dominants au dessus du canyon.

Les contributions des inter-réflexions dues au rayonnement solaire et aux échanges radiatifs GLO à l’intérieur des canyons peuvent être calculées selon plusieurs niveaux de précision. Par exemple, les échanges radiatifs ont été envisagées de manière simplifiée à travers différentes relations géométriques et calculs de facteurs de forme avec le ciel (Aida et al. 1982; Oke 1988; Swaid 1993) ou alors de manière découplée pour les apports solaires avec la méthode exacte des radiosités, et par la méthode simplifiée des enceintes fictives pour les grandes

lon-gueurs d’onde afin d’alléger les calculs itératifs liés aux bilans énergétiques de surfaces (Bozonnet et al. 2005).

Ce type de modèle utilisé au LEPTIAB et repris dans ce travail de thèse (voir chapitre 4) per-met une estimation des consommations énergétiques saisonnières et une description des conditions thermoaérauliques aux abords du bâti avec un niveau de finesse suffisant. La forme générique du canyon urbain est retenue pour sa représentativité d’un espace dense (de même que pour des modèles à plus grande échelle, cf. § 1.2.1).